科研合作丨我司与上海科技大学&复旦大学联合团队合作高分文章见刊

●   摘要：

上海科技大学物质科学与技术学院刘一凡课题组开发渗透性可调的区室化微反应体系，并展示了其在构建可持续的合成生物学系统中的显著优势。团队验证了该体系对生物大分子甚至微生物的渗透性调控，并基于此构建了可循环利用的区室化无细胞蛋白合成系统及具有极高环境适应性的区室化活体细菌生物传感器。

●   关键词：

区室化反应，合成生物学，生物材料，高通量

生物区室化是自然长期进化的结果。在约数十亿前年，地球上的磷脂分子在特定的物理、化学条件下形成隔间，形成了“原始细胞”。较于开放性的生化反应环境，区室化的细胞相具有更低的熵，更高的效率，更稳定的机械结构。然而，细胞并不是完全与外界隔绝，其通过主动/被动的跨膜运输与外界环境进行物质交换，与周围细胞进行信号传递。多年来，研究人员一直致力于人工构建类细胞的区室化系统，以用来研究自然进化（例如，“原始细胞”的形成）以及进行高通量独立的生化反应（例如，单细胞测序）。目前，被广泛运用的微区室系统为油包水微液滴。该系统的一个主要问题为近乎完全的隔离（溶液和生物分子无法交换），从而无法用于构建依赖物质交换的体外系统。比如，细胞无法在液滴中持续生长与增殖；复杂的多步生化反应无法进行必要的溶液交换、试剂添加等。

上海科技大学物质科学与技术学院刘一凡课题组报道了一种渗透性可调微区室化策略（Permeability-engineered Compartmentalization Strategy，简称 PeCS），并展示了在构建可持续的合成生物学反应体系中的显著优势。作者利用高通量微流控技术生成了微米级多层水凝胶微区室。区室的外层凝胶结构不仅可用作简单的物理屏障，还可以实现类似分子筛的功能：通过调节外层凝胶的孔径大小，整个微区室的选择透过性得以实现按需调控，从而实现微区室内生的物大分子甚至细胞的选择性保留与释放。除渗透性可调之外，PeCS 在区室结构、水凝胶材料构成和功能化方面也具有一定的灵活性。例如：包裹磁性纳米颗粒的微区室具有磁性，可通过生物实验室通用的磁性纯化的方式来便捷地对微区室进行处理。

选择透过性可调的微区室化策略示意图

由 PeCS 构建而成的体外合成生物学系统具有显著提高的持续性与稳定性。在一项实验中，研究者构建了基于 PeCS 的区室化无细胞蛋白质表达系统。通过渗透性调节，该系统将参与转录活动的基因和酶限制在区室内，生成的转录本 RNA 分子则可以自由扩散出区室，在外界环境中进行翻译。因此，该系统实现了空间上的转录-翻译分隔，具有与真核生物细胞类似的特征。在另外一项实验中，作者基于 PeCS 构建了区室化活体细菌生物传感器，并以此为模型探究了 PeCS 在对基因工程化微生物（genetically modified microorganism, GMM）的生物防护及适应性提升中的作用。于此，研究者提出了观点：现有研究通常关注对 GMM 的生物防护，却忽略了 GMM 由于基因编程而在环境中的适应性缺失，这导致 GMM 在真实环境中的广泛应用存在困难。经验证，渗透性调控后的 PeCS 区室可以隔绝竞争性微生物甚至噬菌体，极大地提升了 GMM 在复杂真实环境中的适应性。

研究者相信，此项研究对合成生物学系统在真实环境中的落地应用提供可能性和便利性，例如绿色生物制造、环境传感和基于细菌的疾病治疗等。相关论文在线发表在 Advanced Science 上。目前，该团队正在探究 PeCS 体系的在人体菌群研究等领域的应用。